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Chapter 10. 馬達
 
 
Ch10.1直流馬達
Ch10.2步進馬達
 

 

馬達是工業自動化的心臟,而馬達控制更是一門既富挑戰又能引人入勝的學問與技術。各式各樣的馬達種類繁多,其工作原理、特性、應用、乃至於使用的材料均有所不同,根據馬達基本的特性概括性的將馬達分類,如下圖。

 

圖片1  

 

 

馬達,又稱為電動機或電動馬達,被廣泛運用於各種電器用品間,並可再使用機械能產生動能,用來驅動其他裝置的電氣設備,能將電能轉換為機械能,以驅動機械作旋轉運動、振動或直線運動。如在啟動系統中的啟動馬達,怠速系統中的怠速馬達等等。

 

圖片2  

 

 

Ch10.1 直流馬達

 

 

直流馬達的基本構成,如下圖所示由磁場與電樞所組成。轉子與定子為機械上的關係,所謂的轉子是指轉動部分(電樞),而定子則為相對靜止側(永久磁鐵)

 

通常磁場也稱為激磁,目的為要得到轉矩而必需供給的磁通量。電樞由一組線圈所組成,線圈的導體配置於圓筒狀鐵心的周邊,或埋入槽中。電樞導線所流的電流與磁場磁通的互相作用產生轉矩,而使電樞轉動。下圖為直流馬達基本構造

 

 

 

 

圖片4  

 

 

A直流馬達的原理

 

 

萊明左手定則(Fleming's left-hand rule)

 

若磁場中置放導體,通過電流時,導線會受到力的作用,力的大

 

小依有效導體長度與磁通密度及電流大小而定,如下圖所示。

 

圖片5

 

 

F:作用力(牛頓)

 

B:磁通密度(韋伯)

 

I:流過導體的電流(安培)

 

L:導體在磁場的有效長度(公尺)

 

圖片6  

 

直流馬達如何轉動?

 

圖片7  

 

此為一個簡單的直流電動機。當線圈通電後,轉子周圍產生磁場,轉子的左側受力向上被推離左側的磁鐵,並被吸引到右側,從而產生轉動。轉子依靠慣性繼續轉動。當轉子運行至垂直位置時電流變換器將線圈的電流方向逆轉,線圈所產生的磁場亦同時逆轉,使這一過程得以重複。

 

 

下圖為一個完整的直流馬達線路圖,電流由電池正極出發,經過電刷與整流子後,沿著導線流入電樞線圈中,電樞線圈的導線通入電流在磁場中受磁場作用,產生一個作用力作用在電樞線圈上。同理,出來電樞線圈的電流,流經導線亦產生一個相反但大小相同的作用力,此兩作用力使馬達的轉子轉動。

 

圖片8圖片9  

 

 

 

B馬達的數學模型

 

 

下圖為直流馬達的等效電路模型。

 

 

圖片10

 

圖片11圖片12  

 

 

 

 

下圖為直流馬達的等效電路模型,此模型可由柯西和夫定律(Kirchhoff Circuit Laws)求得下列方程式

 

圖片13  (7-1)

 

圖片14  

 

1.馬達感應電動勢的產生原因

 

 

其中Vg 是電樞線圈內的電流在磁場內所造成,因旋轉切割磁力線而感應出的反電動勢,由法拉第定律可知切割一個線圈磁通量的變化會產生一個感應電動勢V(t)

 

 

圖片15  (7-2)

 

 

其中λ表示線圈的磁通量。

 

 

擷取  

擷取2  

 

 

擷取3  

 

2.馬達轉矩計算

 

轉子電樞線圈載有電流的導線在與其垂直的定子磁場下會受到力的作用,此力的大小與導線內之電流、 導線的長度與磁場的強度成正比,此力作用在轉子的軸心上即造成一扭矩。

 

擷取4  

 

在轉子上所產生之扭矩無法全數施於負載,有些將消耗在克服轉子本身之磨擦,有些則用以帶動轉子本身的慣量,可將其歸納為

 

擷取5擷取6  

 

馬達重要數學方程式

擷取7  

 

C.直流馬達的分類

 

 

1.依有無電刷來分類

 

 

擷取8

擷取9擷取10  

 

 

a.有刷直流馬達

 

有刷直流馬達是靠電流流經電刷在經電樞轉動。其垂直磁場的產生採用在轉子上增加多組的線匯繞組,經由電刷與整流子的調整,使流入電樞的電流,能控制轉子磁場保持在磁場垂直的方向上。

 

擷取11  

 

b.無刷直流馬達

 

將永久磁鐵部分當作轉子,而電磁繞組當作定子來使用,配合適當的驅動電路來控制磁極間的換相時序,可以提高效率或增加轉速範圍。無刷馬達是靠線圈產生磁場讓電樞運轉,因為少了電刷與軸的摩擦因此較省電也比較安靜且保有了有刷馬達的加速特性。

 

擷取12  

 

 

 

2.激磁分類

 

直流馬達依激磁方式可分為、並激式、串激式及複激式馬達等三種。

 

圖片16  

 

a.串激式馬達

 

串激式馬達之激磁線圈和電樞以串聯接線。下圖為其等效電路圖。串激式馬達之激磁線圈和電樞以串聯接線,故激磁電流和電樞電流相等。

 

擷取13  

 

 

分析:

 

若馬達於高負載時,轉速下降,導致電流ia上升,此時激磁線圈磁場會隨電流上升則轉矩與電樞線圈和磁激線圈之電流乘積成比例(輸入電流平方成比例

 

擷取14   

 

同理,低負載時,可得出高轉速、低轉矩的特性。因此串激式馬達在高負載具有電流大,可產生的扭力大,擁有高啟動轉矩的特性。由此現汽車起動馬達都使用此類型。

 

 

 

b.並激式馬達

 

並激式馬達之激磁線圈和電樞使用同一電源,且以並聯方式相連接故兩端電壓相等,所以只要電壓一定,磁場電流也是一定值,使得磁場強度為固定值,所以具有轉速變動少的特性下圖為其等效電路圖。

 

圖片1圖片2

圖片3  

 

分析:

 

若馬達於高負載時,轉速下降,導致電流ia上升

則轉矩與電樞線圈電流成比例

 

擷取16  

 

同理,低負載時,可以得出轉速上升,轉矩下降。

因此並激式馬達轉速變化較小為較穩定馬達。

 

 

c.複激式馬達

 

複激式馬達具有串激線圈和並激線圈,下圖為等效電路圖。串激繞組和並激繞組兩者產生的磁場方向相同時,稱為積複激馬達

 

擷取17  

 

D.實例

 

1.電動座椅

 

利用小型馬達的正轉、反轉來控制椅子的前、後、上、下等等動作電動座椅馬達包含三組馬達控制作動,分別為傾斜馬達、升降馬達、滑動馬達。

 

 

圖片17  

 

(a)大腿部分上

擷取18  

 

 

1.調整控制開關

 

  切換到1位置

 

 

2.此時紅色電流會經

 

  由S1流入到L1與正 

 

  轉激磁線圈

 

 

3.L1激磁時會使

 

  P1關閉此時藍色

 

  電流匯流入電樞

 

  A1產生轉動

 

 

 

 

(b)大腿部分

 

 

 

擷取19  

 

1.調整控制開關

  切換到2位置

 

 

2.此時紅色電流會

 

  經由S1流入到L1

 

  與反轉激磁線圈

 

 

3.L1激磁時會使P1

 

  關閉此時藍色電流

 

  匯流入電樞A1產生

 

  轉動

 

 

 

(2)電動車窗

 

駕駛員或乘員操縱開關接通車窗升降電動機的電路,電動機產生動力通過一系列的機械傳動,使車窗玻璃按要求進行升降。

 
圖片18  
 

馬達要能進行兩個相反方向的旋轉,其方法是兩個電刷對向配置,在電流方向改變的時候運轉方向也同時改變,且關閉窗玻璃的時候需要很大的力量,所以馬達會連接一個減速齒輪以提高扭力

 

圖片19  

 

(1)磁型直流馬達:電動車窗改變通過電樞的電流方向來改變馬達的正反轉

 
圖片20  
 

 

(2)繞組串勵式直流馬達:兩個繞向相反的磁場繞組不同繞電流時,會產生相反方向的磁場。

 
圖片21  
 

2.汽車雨刷系統

 

雨刷的特性有馬達的旋轉運動變為雨刷的來回擺動、雨刷靜止時,每次都能在玻璃邊緣,不妨礙駕駛者的視線、可隨需求調整變速。

 
圖片22  
 

(a)複激磁式馬達雨刷電路:

          電樞和一個線圈採用串聯,另一個並聯,藉由磁場強弱變化來控制高速和低速,當磁場越強時,則為低速,當磁場弱時,則為高速。

 

擷取20擷取21  

 

當雨開關(OFF)時,若雨刷尚未歸位時,馬達所連接的凸輪板讓電路繼續接通(如圖一)如果雨刷已經歸位(如圖二)凸輪板和線路分離,馬達和雨刷開關形成一內部封閉的電路產生制動,防止馬達繼續慣性運轉。

 
擷取22  
 

(b)永久磁鐵式雨刷

 

雨刷的電路一般可由雨刷馬達、靜位開關、雨刷開關等組成。

 

(i) 開關切換低速運轉(L)電流11進入再從13出來到電樞使馬達運轉。

 
圖片26  
 

(ii)雨刷開關切換到高運轉(H)電流由11進入再從12出來到電樞使馬達運轉。

 

圖片27  

 

(iii) 雨刷開關切換到OFF

 

靜位開關不在靜止位置:電流會從靜位開關流到15再從13

                     出來到電樞使馬達運轉。

 
圖片28  
 

靜位開關在靜止位置:A點碰到靜位開關時,會將靜位開關的軸桿往外推,使開關關閉。

 

圖片29  

 

 

Ch7.2 步進馬達

 

1923年,英國人詹姆斯(James Weir )發明三相可變磁阻型(Variable reluctance馬達,簡稱「步進馬達」。步進馬達是脈衝馬達的一種,將直流電源透過數位IC處理後,變成脈衝電流以控制馬達。而且馬達旋轉一圈分成數等分(數步),可使角度的控制更為精密。

 

 

步進馬達基本構造

 

 

步進馬達是一個在一定角度的固定步數下旋轉的一個極佳典型的DC馬達,它的每一步大小範圍能從0.9°90°。其基本構造包括一個轉子(rotor)和定子(stator),轉子是由永久磁鐵組成,而定子則是由電磁石構成。轉子會在一個激磁的磁場下移動以對準定子,而當磁場是沿著圓周方向一個緊接一個被激磁時,相對的轉子將會隨著被吸引而做出完整的旋轉。

 
圖片30  
 

A步進馬達原理

 

永磁步進馬達包括一個永磁轉子、線圈繞組和導磁定子。激勵一個線圈繞組將產生一個電磁場,分為北極和南極。定子產生的磁場使轉子轉動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉子產生連續的旋轉運動。步進馬達又可稱為脈衝馬達,因為激磁線圈多數是接收由外部產生的脈衝訊號控制,產生出理想的線圈激磁順序。步進馬達依定子線圈的總數不同,可分成二相、三相、四相、五相。

 

圖片31  

 

 

激磁方式(步進馬達前進一步級的方式)

 

 

a.兩相步進馬達的步進順序在第1步中,兩相定子的A相通電,因異性相吸,其磁場將轉子固定在圖示位置。

 

圖片32  

 

 

在第2步中,當A相關閉、B相通電時,轉子順時針旋轉90°

 

圖片33  

 

在第3步中,B相關閉、A相通電,但極性與第1步相反,這​​促使轉子再次旋轉90°

 

 

圖片34  

 

在第4步中,A相關閉、B相通電,極性與第2步相反。重複該順序促使轉子按90°的步距角順時針旋轉。

 

圖片35  

 

 

補充資料:步進馬達的錯齒概念

 

當開關SB接通電源,SASCSD斷開,B相磁極和轉子03號齒對齊,同時,轉子的14號齒就和CD相繞組磁極產生錯齒,25號齒就和DA相繞組磁極產生錯齒。

 

擷取23  

 

當開關SC接通電源,SASBSD斷開,C相磁極和轉子14號齒對齊,同時,轉子的25號齒就和AD相繞組磁極產生錯齒,03號齒就和BA相繞組磁極產生錯齒,由此可知錯齒角度為步進馬達移動角度。

 

 

擷取24  

 

 

B步進馬達的種類

 

按激磁方式將步進馬達分為三種:永久磁鐵PM式(permanent magnet type)、可變磁阻VR式(variable reluctance type)、以及複合式(hybrid type)。

 

擷取25  

 

1.PM

 

 

PM式步進馬達的轉子是以永久磁鐵製成,其特性為定子線圈不通電(未激磁)時,由於轉子本身具磁性能與線圈感應,故能保持轉矩。PM式的步進角依照轉子材質不同而有所改變,例如鋁鎳鈷系磁鐵轉子之步進角較大,為45°90°,而陶鐵系磁鐵因可多極磁化故步進角較小,為7.5°15°

 

 

圖片36  

 

2.VR

 

VR式步進馬達的轉子是以高導磁材料加工製成,轉子上具有轉子凸出極,利用定子線圈的磁場對凸出極產生吸引力使轉子轉動。由於是利用定子線圈產生吸引力使轉子轉動,因此當線圈不通電時無法保持轉矩,此外,由於轉子可以經由設計提高效率,故VR式步進馬達可以提供較大之轉矩,通常運用於需要較大轉矩與精確定位之工具機上,VR式的步進角一般均為15°

 

圖片37  

 

3.複合式

 

複合式步進馬達,結構上是在轉子外圍設置許多齒輪狀之突出電極,同時在其軸向亦裝置永久磁鐵,可視為PM式與VR式之合體,具備了PM式與VR式兩者的優點高精確度、高轉矩,但步進角較小,一般介於1.8°~3.6°之間。

 

圖片38  

 

 

C 實例

 

步進馬達怠速閥

 

怠速的功能是在當引擎怠速時(節氣門關閉)根據引擎溫度高低和負荷大小,改變怠速空氣道的截面積,使引擎在不同條件下都有最佳的怠速轉速

 

擷取26  

 

通常安置步進馬達在旁通空氣道中再由ECU供給的脈衝訊號來控制其空氣通道的開口大小。一般而言,汽車所用的步進馬達,其步進階數約為125左右,可精準的控制空氣的流量大小。實體與系統圖如下所示。

 

圖片39圖片40  

 

 

怠速步進馬達結構組成

 

怠速步進馬達的內部結構:分為定子、轉子鏍紋傳動機構等三部分。定子是兩組線圈構成,轉子由永磁體構成。其上有兩個磁極。

 

圖片41  

 

 

怠速步進馬達工作原理

 

圖片42

所有的定子線圈都始終通電。只要改變其中某個線圈的電流方向,轉子就轉過一個角度。當各個定子線圈按恰當的順序改變電流方向時,就形成一個旋轉磁場,使永久磁鐵製成的轉子按一定的方向旋轉。如果將電流方向改變的順序顛倒過來,那麼轉子的旋轉方向也會顛倒過來。

 

擷取27  

 

連接在轉子中心的螺母帶動一根絲杆。因為螺旋桿設計成不能轉動,所以它只能在軸線力向上移動,故又稱直線軸。絲杆的端頭是一個塞頭,塞頭在此而可以縮同或伸出,從而增大或減小怠速執行器旁通進氣通道的截面積,直至將它堵塞。次數,來控制步進電機的移動步數,從而調節旁通道的截面積及流經的空氣流量。

 

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eatontseng

曾教授與古董保時捷

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